月球車

月球車

月球車是一項技術復雜、要求嚴格的研究開發任務,開發者除了要突破、掌握同機器人相關的輕型機械、機構、遙操作、自主導航和機械臂等技術外,更重要的是要在按航天器的規範與標準研製管理上多下工夫。分為無人駕駛月球車和有人駕駛月球車兩種。1970年11月,前蘇聯發射的無人駕駛的"月球車"1號成功降落在月球上,成為世界上第一個月球車,1971年7月,美國阿波羅15"號宇航員戴維斯-R-斯科特和詹姆斯-B-歐文進行了人類首次有人駕駛的月球車行駛。

2013年12月發射的嫦娥三號的任務是要實現落月就位探測巡視,它不僅要在月球表面上實施軟著陸,並且還要在月球上釋放我國首輛月球車。2013年9月25日,國防科工局召開發布會,揭開了嫦娥三號月球車的神秘面紗,並面向全球征集名稱。2013年11月26日,中國首輛月球車--嫦娥三號巡視器全球征名活動結束,月球車命名"玉兔"。此名"既體現了中華民族的傳統文化,又反映了中國和平利用太空的宗旨。

  • 中文名稱
    月球車
  • 分類
    無人駕駛月球車和有人駕駛月球車
  • 基本功能
    前進、後退、轉彎、爬坡等
  • 製造難點
    重力,路況,溫度等
  • 技術要點
    抗輻射,防冷焊,路況等
  • 環境
    力學環境和空間環境

基本信息

月球車是一種能夠在月球表面行駛並完成月球探測、考察、收集和分析樣品等復雜任務的專用車輛。在實驗室裏,這個重要角色的學名是"月面巡視探測器",為了使月球車在月面上能夠順利行駛,美國、前蘇聯曾發射了一系列的衛星探測,並對月面環境進行了反復的科學實驗,為在探測器上攜帶月球車的成功打下了可靠的基礎。科學家對經由月球車月面的實地考察所帶回的寶貴資料進行了分析研究,大大深化了人類對月球的認識。

月球車可分為無人駕駛月球車和有人駕駛月球車。無人駕駛月球車由輪式底盤和儀器艙組成,用太陽能電池和蓄電池聯合供電。世界上第一台無人駕駛的月球車于1970年11月17日由前蘇聯發射的月球17號探測器送上月球。

月球車底盤由鋁合金管型材料製成,並且中部裝有鉸鏈,以便儲存物品。每個鋁製車輪都有自己的電力驅動器和機械製動器。輪胎由塗有鋅層的編製鋼網絲網製成。所有的月球車最終都被留在了月球上。

歷史由來

1970年11月17日蘇聯"月球"17號探測器(見"月球"號探測器)把世

月球車月球車

  月球車

界上第一個無人駕駛的"月球車"1號送上月球,它行駛了10.5公裏,考察了8萬平方米的月面。後來的"月球車"2號行駛了37公裏,向地球發回88幅月面全景圖。

1971年7月31日,"阿波羅15"號宇航員戴維斯-R-斯科特和詹姆斯-B-歐文進行了人類首次月球車行駛,他們駕駛著4輪月球車,在崎嶇不平的月球表面上,越過隕石坑和礫石行駛了數公裏。 斯科特和歐文成為在月球上漫步的第7位和第8位人,而且是第一個在月球上駕車行駛的。

他們于30日在月球的"雨海"登入,並于美國東部時間31日上午9時25分離開"隼"號登月艙。幾分鍾之後,他們從宇宙飛 船上卸下月行車,開始了他們的勘探旅行。遊車的前舵輪操作不靈,但是按設計隻有後輪驅動,後驅動輪運轉良好。

當宇航員們在埃爾鮑隕石坑的邊沿停下時,位于休斯頓的任務控製台開啟了遊車的電視攝影機,向地球傳送非常清晰的彩色 圖像。電視觀眾可以看到宇航員挑選和採集月石標本。有一次, 他們興奮地喊道,"這裏有些漂亮的供地質研究用的岩石。"

他們駕車行駛了兩小時,走了8公裏,之後又回到登月艙。 按計畫,斯科特和歐文將在後兩天駕駛月行車做更多的旅行。他們將同在指揮船中的另一名"阿波羅15"號宇航員阿爾弗雷德- M-沃頓會合,一起返回。

主要種類

無人駕駛

無人駕駛月球車──由輪式底盤和儀器艙組成,用太陽能電池和蓄電池聯合供電。這類月球車的行駛是靠地面遙控指令。1970年11月17日,蘇聯發射的 "月球"17號探測器把世界上第一台無人駕駛的月球車── "月球車"1號送上月球。此車約重1.8噸,在月面上行駛了10.5公裏,考察了8萬平方米的月面。此後蘇聯送上月球的 "月球車"2號行駛了37公裏,並向地球發回了88幅月面全景圖。

有人駕駛

有人駕駛月球車──這是由宇航員駕駛在月面上行走的車。主要用于擴大宇航員的活動範圍和減少宇航員的體力消耗,可隨時存放宇航員採集的岩石和土壤標本。這類月球車的每個

月球車月球車

  月球車

輪子各由一台發動機驅動,靠蓄電池提供動力,輪胎在─100度低溫下仍可保持彈性,宇航員操縱手柄駕駛月球車,可向前、向後、轉彎和爬坡。1971年9 月30日,美國 "阿波羅"15號飛船登上月球,兩名宇航員駕駛月球車行駛了27.9公裏; "阿波羅"16號、17號攜帶的月球車,分別在月面上行駛了27公裏和35公裏,並利用月球車上的彩色攝像機和傳輸設備,向地球即時地發回宇航員在月面上活動的情景及離開月球返回環月軌道時登月艙上升級發動機噴氣的景象。

基本功能

月球車月球車

  月球車

從某種意義上說,月球車屬于機器人技術。月球車無論是輪式的還是腿式的,都應具有前進、後退、轉彎、爬坡、取物、採樣和翻轉(跌倒後能翻身)等基本功能,甚至具有初級人工智慧(例如,識別、爬越或繞過障礙物等)。這些都與現代機器人所具有的功能相似。

但是,月球車僅有這些功能是不夠的。它是一種在太空特殊環境下執行探測任務的機器人-- 太空機器人,既有機器人的屬性,更具有航天器的特點,不同于地面使用的工業機器人、醫學機器人和家用機器人。

"質量輕,體積小,耗功低"從來就是航天器設計的金科玉律,在最近的航天優勢產品的評價指標中被稱為"常規三項";追求"輕、小、低"是航天器研發的永恆主題。航程越遠,要求越高,對月球探測器的質量、體積和功耗要求就更輕、更小和更低。根據中國運載火箭可望達到的能力,1台月球車需要由比它重300倍的運載火箭發射,這是發射同樣質量地球衛星的運載火箭質量的4~6倍。

月球車是一個可移動的平台,它要攜帶若幹有效載荷,如探測儀器或挖掘採樣器等。這些設備和裝置必須小型化、輕型化。月球車通常作為月球軌道器的有效載荷,軌道器又作為運載火箭的有效載荷安裝在火箭頂端直徑狹小的整流罩裏。月球車應製成可折疊式,以盡可能縮小發射體積。月球車的電源來之不易,用太陽電池發電,其面積和質量與功耗大小成正比;若用一次性電池,質量與使用時間成正比,為了減輕質量,也必須降低功耗。因此,月球車的設計必須充分採用微電子器件、微型機械和輕型材料,在開發套用微機電系統(mems)

月球車月球車

  月球車

上應有所突破。

在正式接受任務時,月球探測工程整體會提出月球車的質量、尺寸和功耗的指標要求。月球車應按規定技術指標研製。據首席科學家說,截至2013年9月了解到的情況看,已經做出來的月球車樣機的質量比構想中的指標超出好多倍,甚至高出一個數量級。

月球車必須適應航天特殊環境,包括力學環境和空間環境。力學環境指月球車在發射上升過程中運載火箭產生的沖擊、振動、過載和噪聲;在月面降落過程中製動火箭產生的沖擊、過載和可能用氣囊緩沖著陸產生的多次彈跳、翻滾。月球車必須經得起這些"摔、打、滾、爬"等折騰。

製造難點

重力

月球重力是地球的1/6,那便意味著,質量為50千克的東西,在地球上所受重力約500牛。到了月球表面則變成約80牛。因此,月球表面的土壤非常松軟,月球車的行進效率會降低。

路況

月球表面崎嶇不平的路面,有石塊、有隕石坑,還有坡。在這種情況下,設計的輪子便需要克服重重障礙,既不能打滑,也不能翻車,必須做到前進、後退、轉彎、爬坡,樣樣在行。

溫度

在月球的一個自轉周期內,溫度相差可以達到310℃。月面上如此急劇變化的溫度環境會使橡膠迅速老化,因此月球車輪胎要使用特殊材料,克服溫差。

人工智慧

月球車是個智慧型機器人,需要具備獨立處理各種環境的能力。由于距離太遠,無法通過遙控的方法處理反饋信息。月球車需要配置若幹個感測器,在得知周圍環境、自身姿態、位置等信息後,通過地面或車內裝置,形成三維地形圖。進而編輯方向,勾畫出到達目標點的路徑,並導航控製月球車走到目的地。

電力供應

月球的自轉引起月面的晝夜變化。月球上一天的時間,大約相當于地

月球車------結構圖月球車------結構圖

  月球車------結構圖

球上的27天略多。因此,月球晝夜間隔大約相當于地球上的14天。也就是說,登上月球以後的月球車,最多可以連續工作14天,進入月夜以後,它由于無法通過光能發電,進入休眠狀態。14天後,又能自動醒來。

2013年,"嫦娥工程"將實現"落地",月球車、著陸器也將發揮重要角色。"月球車,從軟著陸器上跑下來,然後要在月球上走,這裏面有好多問題。"中國科學院院士、中國探月工程首席科學家歐陽自遠反復強調其中的技術難關。與此同時,為了解決月球地面、溫度、輻射等一系列問題,中國各個科研單位的研究人員正絞盡腦汁製造中國版的月球車。

技術要點

作為航天器的月球車,它同樣是由有效載荷、結構、

月球車------示意圖月球車------示意圖

  月球車------示意圖

機構、電源、製導、定位與控製、熱控製、資料管理和測控等分系統組成,其研製管理是一項系統工程;月球車同樣是屬于不可維修的"上天"產品,對質量和可靠性要求非常高。 因此,在進入工程研製後,應參照航天系統多年來通過各種衛星研製管理實踐所積累的一整套行之有效的系統工程與質量管理製度和方法,加強質量控製。

路況

在月球車硬體產品研製出來後,必須對實物產品進行性能試驗和環境模擬試驗,要在模擬月面盡可能真實的環境條件(高真空、高低溫、太陽光照、宇宙輻射、低重力和月球表面地形地貌等)下,進行程式操作和運動特徵等試驗,不能單純相信電腦仿真的結果,必要時需創造條件進行飛行演示試驗。試驗條件越逼真越好。

抗輻射

首先應了解地月和月面空間輻射的類型、能量和強度。對月球車上使用的電子部件,特別是對輻射尤為敏感的高集成度微電子器件,應採取相應的抗輻射加固措施。月球的自轉引起月面的晝夜變化。月球上一天的時間,大約相當于地球上的27天略多。

防冷焊

月球車上的機構及其他活動部件,例如月球車從發射時的折疊狀態展開成型,車輪及其驅動、轉向機構,天線的展開及指向機構、採掘機械臂等,在高真空條件下收藏、壓緊100多小時後,應保證不會"焊住"或卡死,能順利展開和活動。

適應低重力

月球表面重力隻有地球表面重力的1/6。某些在地面上能正常完成的機械運動,特別是依靠機構自身重力完成的動作,在低重力的月球表面是否仍能正常動作,也還是待解之謎。

極端溫度防護

月球表面白晝時溫度高達150℃,黑夜時低至-180℃,溫差

中國研製的月球車在進行沙漠實驗中國研製的月球車在進行沙漠實驗

  中國研製的月球車在進行沙漠實驗

超過300℃,尤其是月面上的晝、夜分別長達約350h。這種嚴酷條件是過去環地運行航天器所未曾遇到過的,如何保證月球車在長時間極端溫度條件下正常工作,是月球車也是月球探測工程需要解決的關鍵技術。

月球車計畫

1971年7月31日,美國"阿波羅15"號宇航員戴維斯-R-斯科特和詹姆斯-B-歐文進行了人類首次月球車行駛。

美國宇航局推出的21世紀新型月球車。2008年6月,美國宇航局在華盛頓摩塞斯萊克(Moses Lake)沙漠地

美國新月球車美國新月球車

  美國新月球車

區對最新月球車"戰車"(Chariot)進行測試。

月球車是在月球表面行駛並對月球考察和收集分析樣品的專用車輛。在實驗室裏,這個重要角色的學名是"月球探測遠程控製機器人",公眾已經習慣叫它"月球車"。世界上第一顆人造衛星發射成功後,人們便開始了飛向地外天體的準備。然而,在對月球表面探測過程中,採取什麽的運輸工具才有可能在月面上進行實地考察呢?于是,產生了月球車。科學家對經由月球車月面的實地考察所帶回的寶貴資料進行了分析研究,大大深化了人類對月球的認識。

美國新月球車美國新月球車

  美國新月球車

美國宇航局選擇的測試地點與未來要登入的月球表面地形十分相似,以便檢測月球車、遙控機器人和探月宇航員的新式宇航服等樣品,模擬未來宇航員在月球上的活動中各種設施使用功能。宇航工程專家嘗試未來修建月球基地的"人機配合"活動,由宇航員利用機器人和月球車進行月球基地選址勘測,鋪設太陽能電池板和電纜等。

中國的月球車

哈爾濱工業大學曾製造過一款"六輪搖臂轉向架式"月球車,上海交通大學也製作過一款外形炫目的"小蛛

嫦娥三號計畫攜帶的月球車模型嫦娥三號計畫攜帶的月球車模型

  嫦娥三號計畫攜帶的月球車模型

行人"月球車,還有中國空間設計研究院牽頭設計的月球車。2005年3月15日,"嫦娥工程"月球套用科學首席科學家歐陽自遠對媒體披露,航天部門已經出台了"嫦娥工程"用月球車的技術參數和需要完成的科研任務,全國公開競爭,擇優選用。此前,見諸報端的至少有7家高校和科研單位在從事月球車的研製,它們是哈爾濱工業大學、北京航空航天大學清華大學、中國科學技術大學、航天科技集團第五研究院第502研究所、上海交通大學和國防科技大學,"每家都有絕活"。航天部門掌握的資料還要遠遠超出這個規模,他們手頭上有不低于40輛國產月球車模型的資料。

2007年10月24日,"嫦娥一號"將由西昌衛星發射基地直入廣寒宮。中國探月工程已進入實施階段。2013年,中國的第一個軟著陸器將登入月面。

探月工程開啓了中國深空探測事業的大門。由此開始,一系列的深空探測器將逐漸進入人們的視野。"月球車"則是其中的首發隊員。

按照中國航天計畫時間表,2013年,12月,"嫦娥三號"會將"玉兔號"月球車送上月球,使其完成月球軟著陸過程,並實施無人登月探測,主要任務是探測月球表面和內部情況。

2013年12月2號凌晨1時30分,嫦娥三號衛星搭載長征三號乙遙二十三運載火箭由西昌衛星發射中心發射升空,直到在月球表面虹灣區軟著陸,嫦娥三號要經歷13天的旅程。

月球軟著陸器通過反推火箭緩沖,在月面上徐徐降落,艙門開啟,自動彈出斜梯。月球車緩舒展開蜷縮的身體,調整好姿態,走出艙門,滑下斜梯,開始漫步月球……

被譽為"嫦娥之父"的中國科學院院士、中國月球探測工程首席科學家歐陽自遠曾這樣描述中國月球車將來登臨月球的場景。據悉,我國2013年下半年將發射首個月球著陸探測器--嫦娥三號。

備受外界矚目的是,此次嫦娥三號的發射將搭載一部由我國自主研製的"中華牌"月球車,並首次實現與月球的零距離接觸。"月球車"全名為"月面巡視探測器",是集航天系統工程和智慧型機器人為一體的航天器,能完成月球探測、考察、收集和分析樣品等復雜任務。

中華牌整裝待發

中華月球車由航天科技集團第五研究院主要負責研製,自重120公斤,可載重20公斤,壽命為3個月,可在月球上3公裏範圍內連續行走10公裏,具有自動避障等功能。

歐陽自遠指出,由于月球表面沒有空氣,因此月球車下降時需要開啓發動機,一邊落一邊往上推,慢慢落至距月球4米的位置,熄滅發動機,儀器將採用自由落體的方式,軟著陸在月球上。同時,中華月球車將實現自主導航,並能指揮儀器進行操作,最後把資料傳回地球。月球車底下還裝有測月雷達,將切開月球下面100米深度的地方進行探測。

據專家介紹,中華月球車上有兩個太陽儀,其中一個可自由旋轉,尋找太陽位置,吸收熱量進行發電;另外一個則可以蓋在車身上減少熱量散發。中華月球車採用"六輪搖臂式"行走機構,各隻輪子可同時適應不同高度,是一位"爬行達人"。

此外它還有一條機械臂,能在月壤、月岩中勘探取樣,供現場檢測。同時,中華月球車將太陽能和核能作為能源。由于月球晝夜間隔大約相當于地球上的14天,所以當黑夜降臨時,為防止車載儀器被零下100多攝氏度的低溫凍壞,月球車必須要核電池的能量來保溫,並維持與地面的通訊。而當新的白晝來臨,電池就能重新依靠太陽能工作。

探測入鄉隨俗

月球是一個無風、無雨、無水、無氣、冷熱劇變的天體,與地球環境截然不同。因此,中華月球車想要順利完成任務,必須為能夠適應那裏的環境做充分的準備。

如月球晝夜溫差大,白晝溫度高達130-150攝氏度,夜間可下降到零下160-180攝氏度,月球車如何能長時間在極端溫度條件下正常工作是一個難題;月球表面沒有大氣保護,太陽風、太陽耀斑等高能粒子直接輻射到月球表面,會對月球車部分高集成度微電子器件造成損害;月球表面的重力加速度僅為地球表面的1/6,月球車能否在低重力的月球表面完成動作也將是很大的考驗;月球表面的月壤也是影響月球車行駛性能的重要因素。

據了解,整個月球表面覆蓋著一個松散層,由岩石碎塊,角礫狀岩塊、砂和塵土組成,稱為月壤。由于月壤松軟,因此月球車在上面行駛時很容易打滑。

此外,月球車行走時,月壤細粒也會大量揚起,形成月塵,一旦附著便很難清除。同時,月塵還可能引起很多故障,包括機械結構卡死、密封機構失效、光學系統靈敏度下降等。

北京航空航天大學的高峰教授,曾參與月球車的前期論證以及地面驗證試驗的研究工作。本報記者採訪了解到,對于中華月球車來說,"過夜喚醒"是個難題,不僅要經受電池的考驗,更重要的是要經受零下160-180攝氏度低溫的考驗。

中科院院士葉叔華也認為,在月球生存的難度不亞于登上月球,因為月球的夜晚溫度低、時間長,可謂"長夜難熬"。

登月穩扎穩打

1970年11月17日,蘇聯"月球17號"探測器登入月球,釋放了第一輛真正意義上的月球車。隨後,美國的"阿波羅15號"飛船將人類第一輛有人駕駛月球車送上月面。1959-1976年期間,蘇聯和美國分別成功發射25顆和24顆無人月球探測器,人類月球探測也隨之達到了第一個高潮。

1986年7月20日,經歷了10年低潮期後,美國宣布重返月球,蘇聯、歐洲、日本等都組織力量進行研究,紛紛提出了發展計畫。1998年1月6日,隨著美國"月球勘探者"的順利升空,空間探測活動又掀起了新一輪的浪潮。

歸納起來,人類對月球的探索可分為探月、登月和駐月三大步,即"探、登、駐"。截至2013年,中國正處在第一階段,即以"探"為主方向,並按照"繞月探測、落月探測、取樣返回"分三小步穩步推進。

據悉,我國正在開展載人登月前期方案論證,已有專家建議我國在2025年或2030年進行載人登月。中國空間技術研究院深空探測室主任賈陽指出,中國在探月"三步走戰略"中所使用的技術將來也可用于載人登月的相關領域。

連結:繞、落、回3任務

中國探月工程分為"繞、落、回"三個任務,預計2013年下半年我國將實施"嫦娥三號"發射和落月任務。"繞",即實施對衛星繞月軌道的控製實驗並對月球表面進行探測;"落",即將月球探測器在月球表面著陸並對月球進行實地考察;最後一步"回",則是在完成對月球的實地考察後,將在月球上採集的實物樣品帶回地球。

"嫦娥一號"和"嫦娥二號"衛星相繼完成了對月球的環月飛行,標志著我國探月工程的第一階段已經完成。

2013年下半年即將發射的"嫦娥三號"將首次實現在地外天體表面無人自動巡視、首次實現(探測器)月夜生存、首次建立覆蓋火星探測範圍的測控通信網、首次自主開展月面就位科學探測。

這一任務的完成,將為中國的深空探測奠定堅實的基礎。

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未來科學技術

月球上的環境與地球是完全不同的。地球上使用的普通車輛到了月球就"英雄無用武之地"了。月球上沒有空氣,月球車不能使用汽油發動機,隻能採用由蓄電池或者燃料電池供電驅動發動機的方式,即以電動車為主,以太陽能車和火箭車為輔。然而,月面上的重力隻有地球上的1/6,所以不會顯得很笨重。

月球車上的車輪式樣與地球上一樣,採用履帶式和輪胎式兩種。考慮到月球上的特殊球境,也可採用以火箭噴射為動力的跳躍方式和像雪橇那樣的滑行方式。由于月面上白天和

月球車月球車

  月球車

黑夜的溫差很大,最高溫度可達130℃,最低溫度可至-170℃,這就對輪胎的材料要求很高,以前製造的"月球漫遊者"所採用的就是以鋼琴線保持彈力的網眼式輪胎。月球車的車體也有密封式和非密封式兩種。

正在開發的月球車中,最輕便的被稱為"月球機車"。它有3個輪子,輪胎為網眼式,由燃料電池驅動。隻可乘坐1人。由于它是暴露式的,所以駕駛人員需要身穿宇宙服。在月球上,這種車可以作為各設施之間的往返和檢修太陽能電站時的交通工具來使用。

月球上的單座車,在地球上的重量約是720公斤。它沒有輪胎,靠火箭噴射,在月面上作跳躍式前進。這種單座車適用于兩地間的快速移動,或者往返于月球和地球的軌道空間站之間。

雙座多用途高性能小型月球車,它能連續行駛80公裏,有4個網眼式輪胎,以烯料電池為電源,採用更換鋼瓶的方式來補充燃料。

設計中的中型月球車全長6米,地球上重量為3080公斤。以蓄電池為電源,一次充電可行駛325公裏。該車採用密封式,可乘坐4人,並能載物715公斤。它前後有4條履帶,既有4輪車的高速性能和良好的操縱性能,又兼備履帶式車的韌性,履帶是由鋁網覆蓋耐高溫的矽膠製成的。

客貨兩用月球車能乘坐6人,並載物500公斤,能連續行駛180公裏,它也採用密封式,有2條履帶。它除了用于探測外,還可以在各設施之間運送那些沒有穿宇宙服的人員和小動物。

月球拖掛車則由集裝箱台車和牽引車兩部分構成,用于運送物資。它以太陽能電池為動力,也可以同時使用燃料電池,這樣便可以日夜兼程地在月面工作。

月球軌道巴士又稱"滑輪著陸艙",它一旦離開月球軌道,就以抵角度進入月面,在全長100公裏的跑道上以時速500公裏像雪橇一樣滑行著陸,約2分鍾後便可停止了。

還有一種中型月球探險車,裝有高性能的聚光燈、高靈敏度的通信測位天線、監視攝像機和探測雷達,在月球上漆黑的夜間也可行駛。這種車為輪胎式,還能作為臨時月球站來使用。

以上種種月球車,都還在開發研製當中。但是人類一旦踏上月球,在上面建立基地、開採資源,以至在月球上開展旅遊業,建設月球城,這些未來的月球車一定會在人們面前出現,還可能有更新穎奇特的車出現。到那時,人類乘上月球車,實現了漫遊月球的理想。

敏捷性與穩定性的關系

月球上的重力很小,車輛顯得很輕,因此很容易翻。重力減小的同時,車輛和月面的摩擦力也減小了,對車輛的控製會變得很困難。加上月面的地形復雜,浮塵又很厚。這些因素都使得車輛在月球上運動時變得十分不穩定。

敏捷性要求高速度,可靠的製動,靈活的轉向。但是穩定性的下降,使得車輛不能開得太快,也不能轉彎太急,否則車輛很容易翻。

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